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逆向工程毕业论文(2)


逆向工程毕业论文

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基于逆向工程的模具修复研究及应用
引言 随着现代工业的发展, 模具在制造业中的地位日益突出, 在航空、 汽车、轮船等行业中应用较为广泛。优质、高效、低成本一直是 制造技术发展追求的永恒的目标, 模具作为现代工业不可缺少的 工艺装备, 是提高产品质量、 提高生产效率、 节约能源和原材料

、 体现模具生产制品技术经济性地有效手段, 已成为当代工业生产 的工艺发展方向和产品参与生产竞争的主要关键? 。然而,由于 自然磨损及操作人员操作不当等原因, 造成模具的磨损或严重磨 损。并且对于进口的模具,往往因为某一个部位的磨损而报废, 如果重新制造模具不仅费时费力,还额外增加制造成本,严重影 响生产。因此,模具的修复工作显得尤为重要。传统的模具修复 方式主要是采用普通计量器具检测、采用极限量规测量、采用直 线度误差的测量、平面度误差的测量、圆度误差的测量和制造专 用量具等对磨损区域进行测量, 然后根据模具磨损程度制定修复 方案。这些模具修复方式成本高、效率低、修复精度难以达到要 求,远远不能满足现代模具的需要,并且对于结构较为复杂的模 具更是束手无策。 基于逆向工程技术的模具修复是一种较为先进 的模具修复方式,并在模具修复领域有着良好的发展前景。 1 逆向工程 “逆向工程”(Reverse Engineering,简称RE),也称反求工程、 反向工程等,即实体转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模

型重构技术、模型制造技术的总称 。即针对物品或样件,利用 数字化测量仪进行测量,得到点云数据,进而对点云数据进行点 云预处理、模型重构,然后运用数控机床或快速原型技术对其加 工制造,最终实现成品的生成,逆向工程流程如图1所示。逆向 工程产品设计下游向设计上游信息反馈的回路。 逆向工程通常包 括几何形状反求、工艺反求和材料反求,在工程领域中,几何形 状反求得到广泛的应用。逆向工程技术应用极为广泛,主要应用 于:① 新产品的设计;② 对已有产品的仿制、复制,再现设计 意图; 损坏或破损产品的还原和修复; 产品的检测等方面。 ③ ④ 逆向工程在模具行业的应用主要是模具设计制造和模具的修复, 即在只有设计样件而没有设计图纸和设计文档的情况下, 利用逆 向工程技术对原有的模具在结构方面进行创新设计和对磨损的 模具磨损部位修复。

2 逆向工程在模具修复中的关键技术 2.1 三维实体模型数字化三维实体模型数字化是基于逆向工程 的模具修复过程中的首要环节,其测量的数据将直接影响到 模型重构的效果。由于模具的型腔处于模具内侧,加上其结构本 身比较复杂,目前较为常见的数字化测量设备如激光式、结构光

式和光栅式扫描仪等不能直接测量其轮廓,而层析法和工业CT 法由于成本太高,不切合生产实际,因此采用阴阳模法对其进行 修复。 阴阳模法就是利用油泥或其他材料根据模具型腔结构制成 模具型腔的阳模或样品零件,然后利用三坐标测量仪、光栅测量 仪及激光测量仪等数字化测量方式对模具型腔阳模或样品零件 轮廓进行数字化采集获取其点云数据, 然后利用逆向工程软件进 行点云预处理得到满意的点云数据模型, 并对其进行曲面模型重 构,待模型重构完成后再利用三维CAD软件反推出模具型腔的模 型。模型轮廓数字化采集步骤为:(1)选定测量部位根据样品结 构和用户的具体要求,分析样件需要重点测量的部位。在对模型 进行三维实体模型数字化之前, 应对模型轮廓以及模型的特征进 行详细的分析,确定模型的磨损区域。选择测量部位时,在选择 被测件的磨损区域同时, 还需选择未磨损或磨损区域较轻的区域 以及具有基本特征的区域。 这些区域的点云将用于后续的测量点 云的多视拼合、模型对齐等,以保证磨损量分析的精度。(2)选 择测量设备常用的数字化采集方法分为接触式和非接触式 。由 于测量原理的不同,各种数字化设备各有所长,对不同类型的具 所选用的测量方法也有所不同。 因此在选用数字化测量方法时应 注意一下因素:① 对于磨损面积较大的模具,应选择测量速度 较快的数字化设备,提高测量效率;② 对于结构复杂的模具, 应选用课测量复杂轮廓的测量设备;③ 数字化设备的测量 精度应该高于后续分析的精度,一般来说,进行零件的磨损规律

研究,需要高精度的测量系统。(3)选择测量方案对于一些形状 比较特殊的模型, 由于自身所具有的因素无法通过一次测量完成 对整个模型轮廓的测量,这些因素包括:① 复杂型面在投影上 往往存在投影编码盲点和视觉死区, 无法一次完成全部型面的测 量;② 对于大型轮廓模型,由于受测量系统范围限制,必须实 行分区域测量。在对模型进行三维模型数字化之前,首先要分析 被测对象的形状、需要扫描的区域,并结合所选测量设备的特征 参数(如测量范围、 测量精度等)制定出一套合理的测量方案。 (4) 测量模型根据已选定的数字化测量仪和制定的测量方案对拟定 好的测量部位进行测量。 2.2 点云数据预处理 在三维实体模型数字化过程中, 无论是接触式测量还是非接触式 测量,在扫描过程中都不可避免地引入数据误差,尤其是在尖锐 边缘和产品边界附近的测量数据误差。因此,在对模具模型进行 三维数字化之后,有必对离散点云数据进行预处理,获得满意的 数据。数据预处理的目的是获得完整、准确的测量数据以方便后 续的造型工作。数据预处理主要包括多视点云拼合、点云数据滤 波及平滑、数据精简和数据分块等几个方面。(1)多视点云拼合 在对模具外轮廓的测量过程中,由于轮廓的几何特征及其他因 素, 往往造成无法通过一次完整的对模型轮廓的测量得到完整的 数据,而是把模型表面分为多个局部相互重叠的子区域,从多个 视觉角度获取各个子区域的表面信息。 将这些子区域的点云通过

变换或统一到同一坐标系中,称为多视点云拼合

组合机床与自动化加工技术
多视点云拼合获得的数字化模型应该满足 : 磨损型面数据完 ① 整;② 能保证与磨损前模型对齐的精度达到磨损分析的要求。 目前,对于多视点云的拼合的方法,有通过专用测量装置实现测 量数据的直接拼合和事后数据拼合处理两种方法。 通过专用测量 装置实现测量数据的直接拼合是指通过专用测量装置, 直接记录 工件测量中的移动量和转动角度, 并通过测量软件直接对数据点 进行运动补偿进而实现点云数据的拼合。 事后数据拼合处理分为 数据的直接拼合和基于图形的拼合两种:① 数据的直接拼合就 是直接对数据点集进行操作,实现点数据的拼合,以获得完整的 数据信息和一致的数据结构,重构出原型;② 基于图形的多视 对齐,就是对各视图数据进行局部造型,最后再拼合这些几何图 形。(2)点云数据过滤及平滑由于受到不可避免的测量误差和人 为因素(如测量中的异常振动、 光学式测量仪的电器误差等)的影 响, 采样点云并非完全落在原物体上, 易出现 “疵点” (extraneous data) ,并往往带有许多无用信息,这些噪声数据将直接影响重 建曲面的品质。 数据平滑可降低或消除测量过程中人为或随机因 素引起的误差,常用的方法有标准高斯法、平均滤波法或中值滤 波算法。。 ,其中高斯滤波法能较好地保持原数据的形貌,中 值滤波法则在消除数据的毛刺方面效果较好。在实际应用时,可 以根据点云质量和建模要求选择合理的滤波方法。 对于体外较明

显的噪声点,可以直接用手工删除。 (3)点云数据精简在三维实体模型数字化过程中,将会得到海量 点云数据,冗余的点云会导致计算机运行、存储和操作的效率降 低,生成曲面模型需要消耗更多的时间,并且还要影响重构曲面 的光顺性。因此,在保证一定精度的前提下,逆向工程中测量数 据的精简是重要的研究内容之一 。不同类型的“点云”可采用 不同的精简方式,散乱“点云”可通过随机采样的方法来精简 ; 对于扫描线“点云”和多边形“点云”可采用等间距缩减、倍率 缩减、等量缩减、弦偏差等方法;网格化“点云”可采用等分布 密度法和最小包围区域进行数据缩减? 。另外,还有基于灰色系 统理论的数据滤波后产生的空穴填补办法和基于面密度概念的 数据简化方法 。(4)点云数据分块对于模具样件,其外表轮廓往 往由多张曲面混合组成。 点云分块是根据实体外形曲面的自取面 类型,将属于同一自取面类型的数据成组,将全部数据划分为代 表不同类型的数据域,模型重构时,再经过曲面的过渡、相交、 剪裁等方法将多个分块的曲面组成一个整体。目前,点云分块分 为基于测量的分割和自动分割两类 。基于测量分割的方法使用 于机构特征比较明显的物体, 操作者的水平和经验将直接影响结 果。自动分割法分为基于边和基于面分块两种方法。基于边的块 方法首先根据相同类型的边界点连接形成边界环, 判断点集是否 属于环内,实现点云分块。基于面的方法是尝试推出具有相同曲 面性质的点,然后进一步决定所属的曲面,最后义相邻的曲面决

定曲面间的边界。 2.3 曲面模型重构 在逆向工程中,模型重构是利用数字化测量仪所获得的点云数 据,通过插值或者拟合构建一个近似实体原型的模型。模型重构 是整个逆向 程中最关键、最复杂的环节 。常见的模型重构方法 有两种:①先将数据点通过插值或逼近拟合成曲线,再利用造型 工具将曲线构建成曲面;② 直接对测量数据点进行曲面片拟合 再经过对曲面片的过渡、 拼接、 裁剪等操作完成曲面模型的构建。 另外还有基于产品几何特征及约束特征的模型重建方法, 该方法 可以根据模型的整体属性, 较清晰地表达模型的集合特征之间的 约束关系。 3 应用实例 如图2所示是对一汽车冲压件模具修复的过程。本实验室拥有一 套北京博维恒信科技公司生产的三维彩色数字化测量系统— — 3D CaMega光学扫描仪。该系统采用了光学照相式的快速摄影方 式,与高精密数控旋转台配合使用,从不同方位自动对被测物件 进行图像采集;经三维图像处理软件的计算,自动生成具备各像 素对应点空间坐标和色彩复合数据的三维彩色数字图像。

针对该模具实例,按照型腔结构制作 一冲压件,利用三维数字 化测量系统获得冲压件外表面轮廓的模型三维点云数据,如图3 所示。利用逆向T程软件Geomigic Studio对获得的点云数据进行 多视点云拼合、数据滤波、平滑处理、数据精简,得到较为满意 的数据,接着对点云数据进行分割,把属于同一类型的数据 点划分到同一区域, 对划分的区域利用曲面重构技术选取特征截 面、建立特征线、特征网格,再对网格线进行光顺,最后由曲线 拟合成曲面,图4为重构曲面与未磨损的标注冲压件拟合的磨损 量评价的彩色浓淡图。根据图示所显示的磨损程度,制定模具是 修复方案,实现对模具的精确修复工作

4 结束语 实践证明,逆向工程为模具修复技术提供了一种新的技术手段。 逆向工程技术使模具修复工作和先进的计算机辅助设计技术、 先 进的数据测量技术、 快速制造技术紧密结合, 提高模具修复精度、 效率,大大降低模具的成本,延长了模具是使用寿命和工作。


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